第八章发动机噪声及排放污染

第八章发动机噪声及排放污染噪声:汽车的主要噪声源—发动机。汽油机的主要噪声源—风扇噪声和配气机构噪声。柴油机的主要噪声源—燃烧噪声。柴油机的噪声比汽油机的大。排放:汽油机的HC、CO和NOx排放比柴油机的多，柴油机的微粒(PM)排放比汽油机的多。第一节发动机噪声污染及防治

GB规定:城市噪声声压级白天—

42[dB]

夜间—

37[dB]

一、噪声的评价指标（一）噪声的物理参数

1、声压p:声波通过介质时，波峰处的压力升高量[pa]。

2、声压级Lp—无因次参数:

[dB]

其中P0—1000[Hz]时的基准声压，即听阀声压，P0=2×10-5[pa]。人耳能听到的听阀声压=2×10-5[pa]，产生疼痛的痛阀声压=20[pa]。相差100万倍左右。3、声强I

单位时间、单位面积上通过的声能[W/m]。4、声强级—无因次参数

[dB]

其中I0—1000[Hz]时的基准声强，

[W/m]。5、声功率W

声源在单位时间内所辐射的总能量[W]。其中S—

包围声源的封闭面面积；

—

声强在微元面积ds法线方向的分量。（1）在自由场中，声波球面辐射，则

[W/m]

（2）在开阔地面上，声波半球面辐射，则

[W/m]6、声功率级—

无因次参数

[dB]

其中—

基准声功率，[W]。声压级，声强级和声功率级的范围均为0～120[dB]。

7、频率与频带人耳能听到的声音频率范围为20～20,000[Hz]。将其分为若干个频率段—

频带或频程。常用倍频程和1/3频程。倍频程的中心频率—31.5，63，125，250，500，1000，2000，4000，8000，16000…

中心频率，上限频率和下限频率的关系为；；。频谱图—横坐标:频率（频带）纵坐标:声压级，声强级或声功率级。

（二）主观评价—

响度级即使声压级相同，而频率不同，人耳所感受到的声音响度就会不同，主观评价参数—

响度级[方]（[phon]）。以1000[Hz]的纯音为基准声音，当某噪声的响度与某声压级的纯音响度相同时，则该纯音的声压级[dB]即为该噪声的响度级[phon]。

如图的ISO等响曲线由大量试验得出

1、100Hz以下的噪声，虽然声压级[dB]较高，但响度级[phon]却低，人耳不敏感。低频、低声压级[dB]的噪声，人耳听不到。

2、同一声压级[dB]下，人耳对频率为3000～4000Hz的噪声（波谷）最为敏感，其响度级[phon]最高。

3、声压级高于100[dB]时，等响曲线平缓，响度级[phon]仅与声压级[dB]有关，而与频率[Hz]几乎无关。说明对于高[dB]的噪声，人耳已分辨不出高、低频了。

二、发动机噪声分析（一）车辆噪声源

1、与发动机转速n有关的噪声源进、排气噪声；旋转件噪声—

风扇，空气压缩机，发电机和空调等。

2、与车速有关的噪声源传动噪声—

变速器，传动轴等；空气动力噪声—

轮胎噪声，车体噪声等。

（二）发动机噪声源—

主要噪声源

1、空气动力学噪声—进、排气噪声和风扇噪声等。是直接传向大气的噪声源。

2、燃烧噪声—

，。还与发动机零部件的强度、刚度有关。

3、机械噪声—

发动机零部件之间的间隙撞击和零部件弹性变形，导致零部件振动引起。由发动机零部件的机械振动引起。

三、发动机噪声的防治（一）降低燃烧噪声

1、采用油膜蒸发型混合气形成方式—M过程

，

。

2、尽量使喷油先缓后急—

推迟喷油开始时刻

，

。

3、使用十六烷值高的燃料

。

（二）加强结构强度加固主轴承，多加和加固加强筋。（三）采用隔声罩壳材料:钢板、玻璃纤维和其它消声材料。部位:曲轴箱侧壁和排气总管。

（四）采用排气消声器

1、阻性消声器—

主要用于小轿车声学性能主要取决于声吸收构造和材料的流动阻力。降低噪声的频带较广。

2、抗性消声器—

主要用于载货汽车声学性能主要取决于消声器的几何形状，造成排气声能阻抗失配。阻抗失配使部分声能在消声器内来回反射震阻碍向外辐射。

3、阻抗复合式消声器—

用于各种汽车以抗性消声器为基础，同时采用吸声材料，可使排气噪声大幅度降低。（五）低噪声发动机设计在满足基本性能的前提下，按降声原理设计结构参数。

第二节发动机排放污染及防治

一、发动机的污染源（一）排气污染—

占发动机总污染量的65～85%1、一氧化碳CO2、氮氧化合物NOx碳氢化合物HC4、燃料液滴和炭粒

5、各类铅、硫化合物

（二）曲轴箱通风污染—

占发动机总污染量的20%左右。主要是碳氢化合物HC。（三）汽油箱通风污染—

占发动机总污染量的5%左右。主要是碳氢化合物HC。（四）化油器浮子室及油泵接头处的泄漏污染—

占发动机总污染量的5～10%。主要是碳氢化合物HC。（五）含铅、磷汽油所形成的铅、磷污染本课程只讨论第一项—

发动机的排气污染。

二、发动机排放污染物的形成、危害和防治（一）一氧化碳CO

1、形成

C+O

CO[+O]

CO[中间产物]

产生的原因是缺氧。汽油机上—

<1的浓混合气；柴油机上—

>1，但局部过浓的混合气。

2、危害煤气中毒—

人体血液中的血红素对CO的亲和力比对O的高，引起含CO的血红素所占比例增高，造成人体缺氧窒息。

CO是一种无色无味的气体，它和血液中输送的载体血红蛋白的亲和力是氧的240倍。

CO与血红蛋白结合生成羰基血红蛋白，就剥夺了血红蛋白对人体组织的供氧能力。空气中CO的体积分数超过0.1%时，就会导致人体中毒；超过0.3%时，则可在30min内使人致命。3、防治（1）稀薄燃烧与高能点火使混合气的

，而又能够正常燃烧。（2）缩小燃烧室的激冷区激冷区—

燃烧室中由两个以上冷表面构成的狭窄空间，如挤气间隙。激冷效应—

靠近激冷区的可燃混合气，热损失过多而不能着火。缩小燃烧室的激冷区

燃烧易于完全

CO

。

（二）氮氧化合物NOx1、形成（1）燃烧温度高（2）高温持续时间长（3）火焰前锋面中氧气的浓度高.产生的原因是高温富氧。内燃机排放的氮氧化物大部分是一氧化氮NO，少量是二氧化氮NO2，一般NOx表示。

NO是无色气体，本身毒性不大，但在大气中缓慢氧化成NO2。

NO2呈褐色，具有强烈的刺激味，对肺和心肌有很强的毒害作用。

2、危害（1）与肺中的水蒸汽粘合而形成稀硝酸，引起肺水肿和肺气流阻力明显上升。（2）与HC反应生成光化学过氧化物，是光化学烟雾的主要成分。

3、防治（1）降低压缩比

缸内温度

NOx

。（2）减小点火提前角

缸内温度

NOx

。（3）废气再循环，缸内喷水，采用乳化油，

或

缸内温度

NOx

。（4）分层燃烧

降低混合气的均匀性

缸内温度

NOx

。（5）加强燃烧室内气流运动

混合气混合、燃烧迅速

高温持续时间

NOx

。

（三）碳氢化合物HC

1、形成（1）局部混合气过浓或过稀使氧化反应减慢，热损失相对增加，不能着火。（2）某微小单元的混合气面容比大，热损失大，不能着火。（3）激冷效应。

2、危害

HC包括未燃和未完全燃烧的燃油、润滑油及其裂解和部分氧化产物，如烷烃、烯烃、芳香烃、醛、酮、酸等数百种成分。未然碳氢HC的毒性取决于其中的成分及数量。

烷烃基本上无味，对人体健康不产生直接影响。

烯烃略带甜味，有麻醉作用，对粘膜有刺激，经代谢转化会变成对基因有毒的环氧衍生物。烯烃是与氮氧化物一起在太阳光的紫外线作用下形成有毒的“光化烟雾”的罪魁首之一。芳香烃对血液和神经系统有害，特别是多环芳香烃（PAH）及其衍生物有致癌作用。

醛类是刺激性物南，对眼、呼吸道、血液有毒害。3、防治（1）降低压缩比

膨胀冲程中燃烧室壁面温度和排气温度

HC

。（2）改善燃烧室形状，降低面容比

散热损失

HC

。（3）稀薄燃烧与高能点火

燃烧完全程度

HC

。（4）减小点火提前角

HC在膨胀和排气冲程中燃烧掉。（5）缩小燃烧室的激冷区

燃烧易于完全

HC

。（6）加强燃烧室内气流运动

混合气混合、燃烧完全

HC

。（7）曲轴箱强制通风

HC—

空气滤清器

进气管

缸内再燃烧。

（四）燃料液滴和炭粒PM1、燃料液滴柴油机冷起动或低负荷运行时冒蓝、白烟。蓝、白烟之间没有严格的成分差异，均为燃料液滴或水蒸汽，只是微粒的直径不同而对光线的反射不同而已。

2、炭粒PM

柴油机高负荷运行时冒黑烟。

排气中的微粒PM是指空气稀释、温度降至52℃后用涂有聚四氟乙烯的玻璃纤维滤纸收集的除水以外的物质。柴油机排出的微粒大多小于0.3μm，其主要成分是碳及其吸附的有机物质。吸附物中有多种PAH，具有不同程度的致癌作用。（1）形成缺氧，致使燃烧中间产物C-C，H-C裂化，再聚合成炭粒。柴油机缓燃期中形成最多。（2）危害

A燃烧不完全

经济性

，动力性

。

B污染大气。

C炭粒沉积在活塞、燃烧室和排气门等零件表面，使运动件摩擦损失增大，甚至卡死。（3）防治

A稀薄燃烧与高能点火

燃烧完全程度

炭粒

。

B改善雾化质量

混合气混合、燃烧完全

炭粒

。

C加强燃烧室内气流运动

混合气混合、燃烧完全

炭粒

。

D改进发动机的结构和使用，加速混合气形成，提高燃烧速率。

E采用乳化油

缸内温度

中间产物的热裂反应明显减少。

F加入消烟添加剂—

钡盐，但有毒。

G后期处理小颗粒的炭粒经过静电、过饱和水蒸汽、超声波而聚合成较大颗粒的炭粒，再通过除尘过滤器予以净化。

第五节排气后处理为什么要采用排气后处理？因为仅仅通过缸内过程（内燃机本身设计、工作过程优化来降低污染物的排放，总有一定限度，不可能达到日益严格的排放法规要求。因此，世界各国都先后开发排气后处理技术，在不影响或少影响其他性能的同时，来降低污染物的排放。最成功排气后处理装置是：汽油机用的三效催化转换器(TWC)，它使车用汽油机的CO、HC和NOx排放量削减了80%~90%，已成为发达国家汽油车的必备装置。车用柴油机微粒捕集器(DPF)正在开发之中，已研制的样品可降低柴油机微粒排放50%~80%，但技术上和经济上尚存在一系列问题，目前尚未大量推广。此外，柴油机用的NOx催化器和三效催化转换器也正在研究中。

一、三效催化转换器三效催化转换器可以同时净化汽油排气中的三种主要污染物CO、HC和NOx。

1、三效催化转换器特性：只有在化学当量燃烧时，也就是过量空气系数φa=1时，三效催化转换器才能实现同时净化三种排放物的效果。因为NOx在催化剂上还原时，需要H2、CO和HC等作为还原剂。当空气过量（φa>1）时,这些还原剂首先与氧反应，NOx的还原反应就不能进行；当空气不足（φa<1）时，CO和HC则不能被完全氧化。因此，三效催化转换器只能与排气管中带有φa传感器反馈控制的汽油喷射发动机相配，才能很好起作用。2、温度对催化剂转化效率影响：除了φa外，温度对催化剂的转化效率也有很大影响。一般称转化效率为50%所对应的温度为催化剂的